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生态工程概念、原理、实例总结生态工程概念•20世纪后期以来随着科技水平的发展，人类干扰地球表层系统的能力越来越强，已经成为控制地球表层生态过程的主要变量。•但是我们对地球表层复杂系统的了解十分有限，当人类盲目的按照自我的意志改造地球表层系统时，不可避免产生了人类意想不到的环境问题，包括气候变化，荒漠化，水体富营养化，大气污染，物种灭绝等。•生态工程是为了人类和自然的相互利益而进行的一种生态系统设计生态工程原理•1、物质循环再生原理•2、物种多样性原理•3、协调与平衡原理•4、整体性原理•5、系统学和工程学原理–系统的结构决定功能原理–系统整体性原理物质循环再生原理•理论基础是：生物地球化学循环•原理含义是指：生态系统中,生物借助能量的不停流动,一方面不断地从自然界摄取物质并合成新的物质,另一方面又随时分解为原来的简单物质,即所谓“再生”,重新被系统中的生产者植物所吸收利用,进行着不停顿的物质循环。生物群落组成生物体的C、H、O、N、P、S基本元素反复循环无机环境TemperateEastAsiaRegionalCenter什么是生物地球化学循环？•什么是地球系统大气圈、水圈、生物圈、土壤圈、岩石圈和人类构成的相互作用着的系统地球系统是封闭系统（为什么？），但非孤立系统（为什么？）•什么是封闭系统与外界没有物质交换（或净交换为零）的系统只有在封闭系统中才能讨论物质循环问题•什么是孤立系统与外界既无物质交换又无能量交换的系统•什么是生物地球化学循环物质在地球系统中在各圈层中互相传输或转化，使物质总量不变的过程之和大气圈光合作用太阳辐射输入植物藻类自养细菌化石燃料岩石圈土壤圈风搬运风输、沉降、排放•许多物质及对于生命的存在和持续具有决定性的作用•决定生命能否存在•决定生命存在的最大数量•不同物质的生物地球化学循环的特征差别巨大•与能量的单向流动不同，生物地球化学循环使物质通过生物圈过程重复使用•人类已经显著地改变了地球的生物地球化学循环•改变了通量•产生出新的物质转移路径•可能使某些储库储量改变量巨大可导致循环链断裂生物地球化学循环的重要性酸沉降化石燃烧湖泊森林地下水土壤生物地球化学循环（酸沉降）导致的生态和环境问题人类健康生态退化水生生物产量和品质下降森林草地生长衰退碳的生物地球化学循环影响气候•工业革命改变了的碳循环•工业革命改变碳循环原理：•大气中二氧化碳升高具有施肥效应•大气中二氧化碳升高会加强温室效应，通过温度升高影响碳循环balanced+气候变暖生物地球化学循环的驱动力•太阳辐射：自然驱动力•太阳辐射•光合作用•生物圈•人类：另一驱动力•燃烧化石•土地利用改变•矿物开发利用•工业固氮农作物秸秆还田与秸秆焚烧过程物质循环差异分析物种多样性原理•生物多样性是实现生物物种可持续发展的重要前提。为了保证系统的稳定和提高系统的效益,生态系统规划必须将维护生物多样性作为首先考虑的设计指标,必须提供满足生物多样性要求的生存环境。•俞孔坚曾提出“生态设计的最深层的含意就是为生物多样性而设计”。而保护生物多样性的根本是保持和维护乡土生物与生境的多样性。协调与平衡原理•协调-------主要是生物与环境的协调(强调生物要和环境相适应)（生态位）•平衡------是种群数量与环境的负载能力要平衡协调与平衡原理要求我们在生态工程设计和建设时要考虑:生物要和环境相适应种，群数量与环境的负载能力要平衡。K/2逻辑斯谛增长环境容纳量（K）：长时期内环境所能维持的种群最大数量。指数增长增长方式形成条件特点影响种群数量的因素指数增长逻辑斯谛增长出生率和死亡率（决定因素）；年龄结构；性比例；人类活动；外界环境，如气候、食物、天敌等资源无限、空间无限，不受其他生物制约资源有限、空间有限，受到其他生物制约起始加速增长，K/2时增长最快，此后减速增长，到K时停止增长。起始增长慢，随后越来越快整体性原理生产成本消费效益经济系统植物动物微生物非生物的因素自然系统政策管理科学文化社会系统例：林业工程建设中的问题世界大型生态工程没有达成预期目标都是因为没有运用或者忽视了生态工程的这一原理。系统学和工程学原理（1）系统的结构决定功能原理运用：改善和优化生态系统的结构理论基础：分布式优于集中式和环式2019/8/11系统学和工程学原理（2）系统整体性原理你能举出系统整体功能大于部分之和的例子吗?系统各组分之间要有适当的比例关系，只有这样才能顺利完成能量、物质、信息等的转换和流通，并且实现总体功能大于各部分之和的效果，即“1+12”。自我设计：利用生态系统自组织原理进行生态系统设计生态工程原理•1、物质循环再生原理•2、物种多样性原理•3、协调与平衡原理•4、整体性原理•5、系统学和工程学原理–系统的结构决定功能原理–系统整体性原理大规模生态工程成败原因•罗斯福工程：1944年对罗斯福防护林工程进行的普查显示,虽约有10%造林消失或因放牧严重受害,但80%以上被认定为发挥了有效或较好的作用。10年以后,1954年再次调查时,仍被认定为发挥有效或较好作用的降到42%。旱灾、病虫害及放牧不当给大面积防护林敲响了丧钟。•及时调整策略（护土、还草、人退、放弃造林）大规模生态工程成败原因大规模生态工程成败原因•斯大林改造大自然：化学家门捷列耶夫、生理学家巴甫洛夫、物理学家波波夫；在生物—地学领域也不乏大师,道库恰耶夫(1846～1903)；农学家依兹马依里斯基(1851～1914)。其理论依据主要来自道库恰耶夫以及依兹马依里斯基的学说。遗憾的是规划的倡导人决策人操持的是繁重庞杂的国家政务,不可能事必躬亲地深究防护林营造的具体细节,也不可能全面地理解和把握科学家理论的要点。政治干预学术，李森科的“簇状法”以“种间斗争,种内互助”为理论基础，与政治伦理挂钩并不记自然地带性原理强行推广。•北非绿色坝：由于没有弄清当地的水资源状况和环境承载力,盲目用集约化方式搞高强度的生态建设,虽然阿尔及利亚每年平均投入造林的成本是1亿美元,但是损失的林地却超过造林面积,结果沙漠依然在向北扩展。赞助国提供兽医技术，联合国组织打井活动。•三北防护林我国与西方国家生态工程的区别生态工程相关理论外部性公地悲剧囚徒困境集体行动的困境环境库茨涅茨曲线精准农业外部性•外部性是一种社会活动对于另一种社会活动的“非市场性的”附带影响,是社会活动相互作用的结果。养蜂、空气污染、私人花园的鲜花散发出芳香、私人住宅里播放收音机时,声音太响太吵公地悲剧•不同类型的物品•在考虑经济中的各种物品时，根据两个特点对物品分类是有用的:物品有排他性吗?可以阻止人们使用这些物品吗？物品有竞争性吗?一个人使用这种物品减少了其他人对该物品的享用吗？公地悲剧排他性（Excludability）可以阻止一个人使用一种物品时该物品的特性。法律承认并行使私人产权。竞争性（Rivalry）一个人使用一种物品减少其他人使用该物品的特性公地悲剧私人物品既有排他性又有竞争性的物品公共物品既无排他性又无竞争性的物品共有资源有竞争性但无排他性的物品自然垄断有排他性但无竞争性的物品公地悲剧竞争性?是否是私人物品冰激凌蛋卷衣服拥挤的收费道路自然垄断消防有线电视不拥挤的收费道路否共有资源海洋中的鱼环境拥挤的不收费的公路公共物品国防知识不拥挤的不收费的道路排他性?公地悲剧•共有资源没有排他性：想使用共有资源的任何人都可以免费使用。•共有资源具有竞争性，一个人使用减少了其他人对它的使用。公地悲剧•定义:当资源有许多拥有者，他们每一个人都有权使用资源，但没有人有权阻止他人使用，由此导致资源的过度使用，即为“公地悲剧”。如草场过度放牧、海洋过度捕捞等。•悲剧的本质不是不幸福。它存在于冷酷行事的庄重之中。-怀海特案例：梅家坞的公地悲剧杭州梅家坞茶文化村是一个敞开式、全民参与型、个体经营为主的乡村旅游地。满眼绿色、清新空气、正宗龙井茶、现买现作的新鲜农家菜等吸引了杭州、上海、苏南及周边其他城市的自驾车游客，梅家坞成为了有口皆碑的距杭州市中心最近、最具原生态特征的乡村休闲区。2002年左右，迅猛发展中的梅家坞遭到了严重的“公地悲剧”威胁，主要表现在对生态环境的破坏上。茶楼中的生活污水随处排放、垃圾遍地、溪沟变成了臭水沟、违章建筑随意搭建、车辆在公用地上随处停放、民居点呈现严重的现代化趋势。当地村落风貌失范，乡村性受到严重侵害，使许多慕名而来的游客大失所望。从2002年开始，人民呼吁进行改造；政府负责规划、环境整治、基础设施建设、旅游秩序管理、宣传促销等，农户在政府统一管理下继续从事个体经营溪沟面貌整治一新梅家坞在全国的知名度也大大提高，被誉为政府主导与农民主体、茶文化遗产保护与旅游经济利用成功结合的“梅家坞现象”。•污染将生活污水或化学的、放射性的和高温的废水排入水体；将有害的和危险的气体排入空气；将喧闹的、刺眼的广告安装在我们的视野范围内。如何立法自我节制•强制的法律或税务措施，做成污染者在排放前处理污染物成本比不处理为低。•强化监督机制。•加强道德教育。自由生育在我们努力将自己社会建成一个福利国家的过程中，人口问题是我们的社会必然面对的另一种公地悲剧。无节制的生育的影响1.使社会在提供现有人口生活条件和提高人民生活水平方面，遇到了难以克服的困难：就业困难,住房紧张,粮食、燃料等生活必需品短缺等。2.人口压力造成消费与积累比例失调、生态环境严重破坏、全民族的科学文化水平降低等。3.青少年犯罪、人口老龄化等衍生问题。牧场公地悲剧的成因•“公地悲剧”的发生，人性的自私只是一个必要的条件，而公产缺乏严格而有效的监管是另一个必要条件。所以，“公地悲剧”并非绝对地不可避免。•公有化的牧场+私有化的畜群”体系实际上使每一个“理性的”牧人因做错事而得到奖赏(哈丁,2001)。•对公共自然资源而言,由于它所具有的如上所述的许多特殊属性,在使用过程中个人最优往往与社会最优背道而驰(Randall,1981)。•尽管存在一定的局限性,但是,哈丁的理论形象地说明了个人的理性行为在私人权利缺失的情况下会导致资源的过度开采,从而为更好地理解资源耗竭和环境退化的条件、更深入理解人们缺乏适当的动机去防止资源耗竭和环境退化提供了大量的知识。囚徒困境集体行动的困境•除非一个群体中人数相当少,或者除非存在强制或其他某种特别手段来促进个人为其共同利益而行动，•否则，理性的、寻求自我利益最大化的个人将不会为实现他们共同的或群体的利益而采取动”(奥尔森,2006)•“公地悲剧”理论、“囚徒困境”博弈、集体行动的困境,都体现了追求集体利益过程中理性个人实施责任规避、“搭便车”等不利于公共利益的行为倾向,并都提出了一个相同的解决问题的思路,即在利用和管理公共资源时,如何克服“搭便车”的动机和激励为集体利益（和个人长远利益）做贡献。自然资源管理模式政府集中管理制度•由于自然资源的特殊性,“人们不能期待私人对维护公地的兴趣,因此需要由公共机构、政府或国际权威实行外部控制”(Ehrenfeld,1972)。•理性的管理需要消除“自由”进入权,而要剥夺私人进入权,更常见的是通过国家干预来将“外部性内部化”,“铁的政府”对实现生态控制而言是绝对必要的(Heilbroner,1974),它不但能在一定程度上控制“搭便车”问题,还能利用规模经济的效率(张三,2002)。因此,对自然资源(例如牧场、森林等)实行国家集中控制和管理的政策方案不仅是早期学者们提出的主要政策主张之一(另一个政策主张是私有化),而且在目前仍有较大的空间并处于不断发展中。•应建立矫正回馈,保证监管者大公无私;同时,必须为监管者和矫正回馈立法,赋予所需权力,并形成相互同意的彼此强制。私有化-市场管理制度•形成清晰的自然资源产权边界，使用自然资源的收益与成本由同一人承担。•成本高破坏资源的整体性社区为基础的管理制度草地家庭承包VS以村为单位的草地管理社会资本社会资本理论认为,社会约束和制度对公共资源的可持续利用至关重要,社会资本提供了解决个体间行为冲突的非正式机制,能以较低成本促使个体遵守规则以防止机会